宜万铁路鲁竹坝2号隧道岩溶水文地质分析

苏 中

1 地质背景特征

1.1 地貌特征

工程区西侧混水河深切,北侧长巴河(混水河支流)伏流(暗河)横切构造线,东侧、南侧为山地。隧道穿越的背斜构造核部组成山脊高地,组成分水岭。该分水岭西侧为紧邻混水河的斜坡;东侧为山地,山地与分水岭之间,再分布与构造线一致的次级分水岭和带状洼地,并相间展布;再往东即是碎屑岩和碳酸盐岩分界处附近的汇水溶蚀低地。整个溶蚀解体的山体组成复杂的岩溶地貌,但总体呈(除西侧斜坡外)东高西低,南高北低的态势(见图1)。混水河(西),长巴河伏流(北)、獐(角坝)—马(石坝)岩性界面低地(东),“三向围切”工程区,并成为岩溶地下水汇流和排泄场所。

1.2 岩层控制特征

1)大治组(T1d):主要分布于背斜核部山地分水岭,汇水面积小和地下水活动程度弱等的制约,岩溶相对发育弱。2)嘉陵江组():分布于背斜东翼大面积带状山垅、洼地相间的山地,岩溶相对发育,但不同地层岩溶发育程度由强至弱依次为(1/万图面标注岩溶点10个/km2),(5.8个/km2),(4.2个/km2)。岩溶顺岩层走向或顺倾向层面发育,并控制岩溶延伸方向和地下水径流走向。如孟(家槽)—孙(家槽)岩溶管道和大路湾—D(樟树坡)岩溶管道。3)碎屑岩(Tb2)和碳酸盐岩()交界处,因可溶性和非可溶性的岩性差异,形成沿分界线分布的大型溶蚀洼地,并汇水集中补给地下,成为暗河的入口[1],如马石坝、獐角坝暗河的入口。

1.3 构造控制特征

1)工程区构造控制的地貌格架。a.背斜轴核部(枢纽部位)构成整个工程区的分水岭。b.地貌走向与构造线一致(NNE向)。次级分水岭和带状溶蚀洼地顺岩层走向展布、发育。c.背斜倾伏端的转折部位(隧道进口端),组成顺岩层走向、倾向的弧形转折和缓倾斜坡。2)岩溶、充水管道、暗河普遍沿构造弱面发育、发展。工程区主要构造弱面有:顺层层间裂隙、构造节理:N60°～90°W(近东西向)、N0°～ 30°E(近南北向)。a.隧道左侧(南部)发育的纵向(N0°～30°E、顺层)裂隙和节理与隧道右侧(北部)背斜倾伏端发育的倾向层间裂隙衔接并构成连续协调的节理、裂隙体系,岩溶沿上述体系呈带发育,同时控制岩溶管道发育的方向。b.N60°～90°W(近东西向)节理属横向张扭性,其频度、密度、延伸程度都很突出,沿此裂隙发育的岩溶管道也特别深远。

2 岩溶暗河管道系统分析

2.1 工程区排泄基准面

长巴河伏流(暗河),于工程区北(线路右侧)横切背斜,排入混水河(G);长巴河伏流段汇聚工程区从南向北(沿走向)的岩溶地下水,并向混水河排泄;混水河是工程区的相对排泄基面(见图1)。

2.2 工程区主要集中补给点及补给范围

除去长巴河伏流入口上游的汇水面积及其补给与工程无涉外,与工程有关的工程区集中补给点和补给范围见图1。

2.3 充水岩溶管道可能发育的方向(径流路径)

在岩溶发育层中充水管道发育的方向(径流路径),受构造裂隙控制,即基本沿下列构造结构面发育:1)顺岩层走向(N10°～30°E)—纵向张裂隙;2)NWW 向(近东西向)—横向张裂隙;3)顺倾向层间裂隙—顺岩层倾向,如背斜核部的倾伏端(樟树坡—张家槽一带)。

2.4 马石坝暗河洞内实测反映的问题

进入马石坝暗河洞内实测始点到终点总长887 m,其方向为280°(沿横张裂隙发育)。中途发育的分支方向为 138°(南延),朝獐角坝方向延伸,而獐角坝暗河入口以后有沿层间裂隙或纵向裂隙发育的管道向北延伸与上述马石坝暗河南延分支相交,见图1。

上述实测反映的问题:獐角坝暗河入口后其管道流沿岩层走向北上汇入马石坝暗河,马石坝暗河的流向实际朝西(即为280°)向混水河排泄(见图1)。

2.5 工程区充水岩溶管道系统分析

1)马石坝暗河系统。马石坝入口(A)→B(獐角坝暗河向北径流,汇入马石坝暗河的B处,成为其支流)→竹园坪→G(混水河出口),组成相对独立的暗河径流系统。

2)长巴河伏流系统。其路径很明朗,入口→E(孙家槽)→F(古井坡)→G(混水河左岸出口)为长巴河的伏流,位于隧道右侧溶蚀洼地,是工程区岩溶地下水的主要排泄场所之一。

3)孟家槽→竹园坪→D→孙家槽系统。孟家槽→竹园坪→D→孙家槽系统,沿岩层走向(沿层间裂隙、纵向张裂隙)发育的、独立于马石坝—獐角坝暗河外的暗河系统。它们独自构成孟家槽→竹园坪→孙家槽管道流,并排入长巴河伏流(见图1)。

4)冉家槽溶隙管道系统。该系统位于隧道出口端,由近EW向溶蚀洼槽汇水,循槽谷由东往西向混水河排泄的溶隙管道系统。排泄点为泉。横跨隧道洞轴(见图1的Ⅵ区)。

2.6 各岩溶管道系统的主要“参数”

工程区存在的岩溶管道系统及其主要“参数”见表1～表3[2]。

表1 马石坝暗河系统

表2 孟家槽—孙家槽管道系统

表3 冉家槽管溶隙管道系统

3 各岩溶管道系统对隧道影响评估

3.1 工程区存在三个岩溶管道系统

1)长巴河入口→混水河(G)暗河,实为长巴河的伏流,位于隧道的右侧斜坡低洼处,是岩溶地下水排泄场所,对隧道不直接构成影响。2)马石坝→混水河(G),即A→B→G暗河(含獐角坝支暗河,主、支暗河在“C”处汇合)(见图1)。暗河具有明显的入水口和出水口,是典型的单管式暗河。所经标高最低,在隧道标高下92 m～104 m,对隧道影响有限。3)孟家槽→竹园坪→孙家槽管道系统(NNE向)。为上部的汇流系统,汇水区内通过浅部岩溶网络将管道系统内各单元相互沟通。隧道几乎横切穿越这些网络和主管道及其涉及的范围,对隧道形成直接影响[3]。

3.2 隧道分段评估

DK204+390～DK205+400段:该段位于背斜东冀与背斜轴部倾伏衔接的转折端,也是背斜东冀的地下水沿岩层走向、层间裂隙、纵向裂隙由南向北往长巴河伏流排泄的尾端排泄区;岩溶主要为较密布的南北向和近EW向发育的溶隙、串珠状岩溶腔体,因其位于地下水位的上部,皆为早期发育的、现已被弃置的上层溶腔体,多被充填或为空腔。有季节性(雨季)地下水过流。隧道穿越腔体充填物易坍塌,跨越大溶腔底部(隧底)及溶腔周边都需处理,且处理难度大[4]。

DK205+400～DK206+600段:是(孟家槽→竹园坪→樟树坡→孙家槽)主管道流和(大路湾→樟树坡)支管道流的交汇场所,岩溶和岩溶水发育。岩溶腔体发育的频率、强度、规模是整个隧道可能最强的地段。主管道与隧道平面交汇处约在DK205+400～DK205+750附近;支管道(大路湾→樟树坡)从DK206+600往进口方向至与主管道交汇处(DK205+400～DK205+750)基本上与隧道临近,且与洞轴平行。地下水位钻孔揭示为626.64 m标高,主管道暗河推测水位约600 m标高,皆在隧道路肩标高(589.59 m)以上。因此,该段隧道除可能遭遇溶腔威胁外,尚存在岩溶管道流突水的危害,应引起重视。

[1]TB 10027-2001,铁路工程不良地质勘察规程[S].

[2]《岩土工程手册》编写委员会.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[3]何发亮,李苍松,陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

[4]张民庆,黄鸿健,田四明.岩溶隧道安全设计、施工与管理[J].铁道工程学报,2008(1):30.